医院中心供氧实时监控系统的CAN总线接口设计

苌飞霸，尹军，王俐，颜乐先，陈维平，徐力

第三军医大学大坪医院野战外科研究所医学工程科，重庆 400042

0 前言

目前，全国大部分医院都采用中心供氧，通过管道将医用氧气直接输送到各临床科室。中心供氧站实行24 h值班制，能监测并及时处理供氧站出现的故障。但由于种种技术原因，多数医院在建造中心供氧设施时，在一级科室都没有设置氧气监测、计量装置。这样，因管道故障造成临床科室氧气压强不足时，通常需依靠使用氧气的生命支持设备如呼吸机的报警才能推测出该故障；科室实际用氧情况也无法精确掌握[1]。这种粗放式的管理模式已越来越无法适应医院以病人安全为中心的服务理念以及精细化管理的需求。因此，医院需要在每一个临床科室的供氧输入端设置氧气监测与控制装置，并使得中心供氧站可以实时监测各临床科室的供氧压力、浓度及流量数据，并对供氧出现的一些意外情况进行及时处理。

控制器局域网（Controller Area Network，CAN）总线是一种“多主机”现场总线局域网，其通信网络具有抗干扰强、高度可靠、实时高效、成本低廉等特征，目前广泛应用于工业过程控制、轨道交通管理、纺织机械、农业器具、机器人、医疗器械、传感监测、环境控制等领域[2-3]。

医院中心供氧实时监控系统利用基于CAN总线通信网络的医院中心供氧监测与控制技术，在每一个临床科室供氧输入端设置氧气监测与控制装置，采集各临床科室的供氧压力、浓度及流量数据，通过CAN总线通信网络送至中心供氧站的中心监控电脑上；在中心监控电脑上通过监控软件，能远程监测各临床科室的供氧压力、浓度及流量数据，能对氧压、氧浓度不足进行报警，能对科室用氧量进行计量计费，并在病区出现火情时，能远程自动或手动控制氧气监测与控制装置以关闭病区氧气供应，保证供氧安全，提高供氧管理水平；同时病区供氧情况不再需要医护人员进行监测，减少了医护人员的额外工作量。

1 CAN总线接口转换卡总体设计

医院中心供氧实时监控系统的CAN总线接口主要包括CAN通信接口模块、串口通信模块、电源模块。总体设计框图，见图1。

图1 CAN总线接口转换卡总体设计框图

CAN通信接口模块采用MCP2515控制器通过SPI接口与MSP430F149微处理器相连，实现微处理器的CAN总线接口扩展。MSP430F149对MCP2515进行初始化并通过控制MCP2515实现数据的接收和发送。串口通信模块主要包括通信串口和串口转USB，医院中心供氧实时监控系统采集各临床科室的供氧压力、浓度及流量数据，并将采集的数据通过CAN总线通信网络送至CAN总线接口，CAN总线接口利用串口或者串口转USB将数据发送到中心供氧站的中心监控电脑上。电源模块采用USB供电和外部直流电源供电两种方式，当系统工作时，通过电源选择按键选择任一种供电方式，保证供电的安全性、有效性和稳定性。

2 CAN总线接口转换卡各模块设计

2.1 CAN通信接口模块

CAN总线接口采用MCP2515作为协议控制器，PCA82C250作为收发器；并且在MCP2515和CAN收发器之间增加光耦隔离器以增加系统的抗干扰能力，以有效提高系统的可靠性[4-5]，具体电路设计，见图2。MCP2515可与任何带有SPI接口的单片机直接相连，并且支持SPI1.1和SPI0.0模式。单片机通过SPI接口可以读取接收缓冲器数据。MCP2515对CAN总线的数据发送没有限制，只要采用单片机通过SPI接口将待发送的数据写入MCP2515的发送缓冲器，然后在调用RTS（发送请求）命令即可将数据发送到CAN总线上。在时钟SCK的下降沿，通过SO引脚把数据送出。操作中片选引脚CS保持低电平[6-8]。

MSP430F149可以通过内置SPI接口和MCP2515直接连接，MCP2515的CLK与MSP430F149的UCLK0连接，为数据的发送和接收提供同步时钟信号；并在MCP2515和CAN收发器之间增加光耦隔离器ADUM1201以增加系统的抗干扰能力。收发器PCA82C250引脚CANH、CANL是CAN总线的接口，R906是CAN总线终端电阻，用来避免收发信号的反射，减少共模干扰。CAN通信接口模块采用MCP2515作为协议控制器减少了系统的连线，简化了系统的设计，具有较高的抗干扰能力。

图2 CAN总线通信接口模块电路设计

2.2 串口通信模块

本系统采用串口转USB进行数据传输。简单的RS232串口通信速度慢且不能即插即用，但是传统的USB接口设计又较为复杂，需要专门的USB驱动芯片以及驱动程序，会增加开发成本和开发周期。本文采用串口转USB芯片来设计接口，这种方式集成了USB的优点且其电路设计简单，可避免繁琐的USB协议和USB驱动。另外，为了使CAN总线接口可以应用于一些无USB而只有串口的设备上，CAN总线接口还设计了RS232串口通信接口，方便与RS232设备相连。

利用FT232BM可以方便地实现USB接口通信，FT232BM是一个UART转USB的桥接器，可对RS232串口进行相应的操作，需要设置波特率、数据位、停止位等串口属性；在数据传输过程中按照USB协议进行传输，可以加快数据传输的速度。通过这种方式，下位机和上位机的程序只需要对串口进行编程操作，不需考虑桥接器的内部传输机制。

串口通信模块电路设计，见图3。FT232BM外围电路XTIN和XTOUT接6 MHz的外部晶振。将MSP430F149内部经A/D转化后的数字信号通过该芯片以USB传输格式传输到上位机，非常方便。

利用FT232BM的异步收发器（UART）实现与单片机（MSP430F149）的串行接口，通过TXD、RXD、GND3根数据线分别与单片机的RXD、TXD、GND相连，完成与单片机的数据交换。FT232BM内含两个数据缓冲区：128字节的发送缓冲区和384字节的接收缓冲区，均用于USB数据与串行I/O数据的交换缓冲区。只要USB的数据线D+、D-分别连接FT232BM的USBDM、USBDP管脚，就可以实现USB数据与单片机串行I/O数据的交换。

图3 串口通信模块电路设计

2.3 电源模块

CAN总线接口采用两种方式实现对系统的供电，电源模块电路设计，见图4。因为计算机的USB接口能够提供最大达5 V的电压、500 mA的电流，只要进行相应的限流处理，就可以使一般的小型外部设备利用USB接口进行供电，不需要其他外部设备，从而在不影响系统工作的基础上简化电路的整体复杂度。

在计算机USB接口负载不了系统工作时，可通过一个外部直流电源供电，然后通过78M05芯片将外部直流电源稳压至5 V。通过选择开关选择所需要的供电电源。

整个系统采用+5 V和+3.3 V供电，故在外部接通电源后，将电源通过隔离稳压芯片稳压至+5 V，将隔离过后的电压再通过LM1117低压差电压调节器稳压到+3.3 V，并且提供电流限制和热保护。

CAN总线接口设计中，需要+3.3 V供电的芯片包括MSP430F149、MCP2515等；需要+5.0 V供电的芯片包括光耦ADUM1201、FT232BM等。电源电路负责向整个CAN总线接口的元器件提供稳定电压。测试表明，电源电路对系统的供电安全、有效、稳定。

图4 电源模块电路设计

3 CAN总线接口转换卡功能验证

为了验证笔者设计的CAN总线接口的功能，在上位机上通过串口转USB接口向CAN总线接口不停地发送数据，然后利用设计的CAN总线接口把接收到的串口数据向USB-CAN适配器发送。其中CAN总线接口采用的帧格式选择标准帧格式，串口发送的数据为0X01至0X08。结果表明，CAN总线接口可以正常工作，实现数据的发送、接收等功能，基本达到了实验目的。

4 结论

笔者针对医院中心供氧实时监控系统数据传输和控制的要求，采用微处理器MSP430F149搭载CAN协议控制器MCP2515及收发驱动器PCA82C250设计并实现了医院中心供氧实时监控系统的CAN总线接口转换卡。该CAN总线接口通过其SPI接口实现了微处理器MSP430F149的CAN接口扩展，且可以满足对中心供氧实时监控系统中CAN总线数据传输的需求。

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